04.08.2021 Ziel des Forschungsvorhabens EnaBle ist es das hybridelektrische Fliegen effizienter, sicherer und damit kommerziell nutzbar zu machen. Dafür erhält das Projekt nun eine Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) von insgesamt 8 Millionen Euro. Im Projekt geht es um die Weiterentwicklung und Optimierung eines Hybridantriebssystems für den Flugverkehr, das Brennstoffzellen und Batteriesysteme vereint. Herzstück ist ein elektrisches 250 kW Antriebsstrangmodul, bei dem Druckluft-gespeiste Brennstoffzellen zum Einsatz kommen. Beteiligt an dem Konsortium sind die Firmen Diehl Aerospace und MTU Aero Engines, zwei führende Industrieunternehmen aus dem Luftfahrtbereich, sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die DLR-Ausgründung H2Fly und die Universität Ulm.
Effizienter Fliegen mit Hybridsystem
Hybridsysteme, die Brennstoffzellen und Batterien vereinen, erreichen nicht nur deutlich höhere Reichweiten als reine E-Flieger, sondern bieten auch das technologische Potential für ein Upscaling hin zu größeren Leistungsklassen.
„Wir arbeiten gemeinsam an der Entwicklung eines hybridelektrischen Antriebs bestehend aus Brennstoffzelle, Batterie, Leistungselektronik und Power Management System. Das konkrete Ziel, das wir dabei erreichen wollen, ist die zeitnahe industrielle Umsetzung für leichte Motorflugzeuge mit bis zu 19 Sitzen“, erklärt Ronny A. Knepple. Der Ingenieur verantwortet den Bereich Energiesysteme bei der Diehl Aerospace.
Wie funktionieren solche Hybridsysteme eigentlich? „Die Brennstoffzelle produziert Strom aus Wasserstoff und stellt damit die energetische Grundlage des Propellerantriebes sicher. Lithium-Ionen-Batterien liefern während des Starts oder Steigfluges zusätzliche Leistung, die benötigt wird, um die Reiseflughöhe zu erreichen“, sagt Dr. Caroline Willich, Wissenschaftlerin vom Institut für Energiewandlung und -speicherung der Universität Ulm. Die Ingenieurin leitet gemeinsam mit ihrer Institutskollegin Dr. Christiane Bauer die Ulmer Teilprojekte. An der Uni Ulm soll unter anderem das Luftversorgungsmodul für die Brennstoffzellen entwickelt werden. „Die Brennstoffzellen, die hier zum Einsatz kommen, werden mit Druckluft betrieben. Die Druck-Aufladung macht die Brennstoffzellen effizienter und ermöglicht höhere Leistungen. Dies ist besonders in Flugzeugen von großem Interesse, denn diese bewegen sich in großer Höhe und damit im Unterdruckbereich“, erläutert Willich.
Der neu entwickelte hybride Gesamtantriebsstrang soll an der Universität Ulm in der Testanlage mit klimatisierter Unterdruckkammer getestet werden.
(Foto: Elvira Eberhardt / Uni Ulm)
In der Ulmer Verantwortung liegt auch die Entwicklung und Optimierung des Leistungsmanagementsystems. Dieses muss präzise, schnell und ausfallsicher dafür sorgen, dass die Batterie bei hohem Leistungsbedarf zusätzliche Energie für den Antrieb zur Verfügung stellt und während des Fluges wieder geladen werden kann. Das Leistungsmanagementsystem soll dabei in der Lage sein, auf die Anforderungen unterschiedlicher Flugprofile präzise und anwendungsnah zu reagieren. Ein ganz besonderes Alleinstellungsmerkmal am Brennstoffzellen-Forschungsstandort Ulm ist ein Teststand, der in eine klimatisierte Unterdruckkammer integriert ist. So können ganze Antriebsstrangsysteme unter realistischen, flugrelevanten Bedingungen charakterisiert und getestet werden.
Erhöhte Skalierbarkeit und erleichterte Wartung und Reparatur
Ein ganz zentraler Aspekt bei der Entwicklung des Antriebsstrangs ist die Modularisierung. Die Verbundpartner wollen damit einerseits die Skalierbarkeit des Systems erhöhen, die letztendlich entscheidend dafür ist, dass ein Prototyp industriell in Serie gehen kann. Andererseits begünstigt ein modulares Entwicklungskonzept auch die Fehlererkennung und -behebung und sorgt so für Erleichterungen bei der Wartung und Reparatur, was wiederum mehr Sicherheit bringt. Hard- und Software müssen dafür optimal aufeinander abgestimmt sein.
Entscheidend für den Projekterfolg ist nicht zuletzt die generische Rechnerplattform, die im Rahmen von EnaBle entwickelt und eingesetzt werden soll, samt umfassender Steuerungs- und Regelungsalgorithmen, die für einen effizienten und reibungslosen Betrieb des Antriebsstrangs sorgen sollen. Diehl Aerospace stellt dafür eine sogenannte Integrierte Modulare Avionik (IMA) zur Verfügung. Die Abkürzung bezeichnet eine modulare rechnergestützte Elektronikeinheit aus standardisierten Komponenten und Schnittstellen, die im Flugzeug dafür sorgt, dass die verschiedenen Systeme miteinander kommunizieren können.
Industrieunternehmen, Forschungseinrichtungen und Ausgründungen arbeiten Hand in Hand
Das Institut für Technische Thermodynamik am DLR kümmert sich speziell um die Entwicklung des Brennstoffzellen- und Batteriesystems. An der Universität Ulm – wie bereits beschrieben – konzentriert man sich insbesondere auf das Luftversorgungsmodul für die Druckluft-Brennstoffzelle, das ausfallsichere Leistungsmanagement sowie die Prüfung des neuen hybriden Gesamtantriebsstranges in der Uni-eigenen Testanlage mit klimatisierter Unterdruckkammer. MTU Aero Engines arbeitet an der Gesamtintegration des Entwicklungskonzepts für Flugzeuge aus der Klasse der 19 bis 80 Sitzer. Die DLR-Ausgründung H2Fly widmet sich im Rahmen von EnaBle insbesondere der Klärung sicherheitstechnischer Anforderungen und Fragen der Zulassung.
(Quelle: Universität Ulm)
